|
Научная подоплека |
|
Белки это "ожерелья" из аминокислот -- молекул, имеющих форму длинных цепочек. Белки - базис, на котором основывается жизнь на Земле. Белки ферменты - движущая сила всех биохимических реакций, благодаря которым работает биология . Белки структурные элементы - основная составляющая наших костей, мышц, волос, кожи и кровяных телец. Белки антитела распознают инородные тела и позволяют иммунной системе избавиться от нежелательных "захватчиков". Поэтому ученые секвенировали геном человека - чертеж всех белков, -- но как мы сможем понять, что эти белки делают и как они работают?
Связь с проектом Геном человека Так как белки играют такую фундаментальную роль в биологии, ученые секвенировали геном человека. Геном является "чертежом" для построения белков -- он содержит код ДНК, который определяет последовательность аминокислотных "бусинок" на "ожерелье" белка.
Однако знание только этой последовательности мало говорит нам о том, что делает тот или иной белок и как он это делает. Чтобы выполнять свои функции (напр. как ферменты или антитела), они должны приобрести определенную форму. Белки - удивительные машины: они собирают сами себя перед тем как выполнять свою работу! Эта самосборка и называется "folding" или сворачивание. Одна из целей нашего проекта - моделирование сворачивания белков, чтобы понять, как белки сворачиваются так быстро и надежно, а также узнать, как создавать синтетические полимеры с данными свойствами. Фильмы с результатами моделирования некоторых молекул можно посмотреть здесь.
Сворачивание белков и болезни: BSE (Коровье бешенство), болезнь Альцгеймера, ... К чему приводит неправильное сворачивание белков? Возможно, что с нарушениями в сворачивании белков связаны такие заболевания как болезнь Альцгеймера, кистозный фиброз, BSE (Коровье бешенство), наследственная форма эмфиземы, а также многие формы рака. Когда белки сворачиваются неправильно, они образуют плотные комочки, объединяясь вместе (агрегируют). Часто подобные комья собираются в мозгу, где предположительно вызывают симптомы Коровьего бешенства или болезни Альцгеймера.
Сворачивание белков и нанотехнология: создание искусственных "наномашин" Кроме биомедицинской сферы применения изучение процесса сворачивания белков позволит нам конструировать наши собственные "наномашины" для выполнения схожих задач. Естественно, что до того как наномашины смогут что-либо выполнять, они сами должны быть собраны.
Почему сворачивание белков так сложно понять? Белки удивительны не только тем, что они самостоятельно сворачиваются, но и тем, насколько быстро они это делают: некоторые - за миллионную долю секунды. В нашем понимании это очень быстро, однако компьютерам требуется очень много времени, чтобы смоделировать данный интервал времени. Фактически, моделирование одной наносекунды (1/1,000,000,000 секунды) занимает примерно день. К сожалению, время сворачивания белков составляет порядка нескольких десятков микросекунд (10 000 наносекунд). Поэтому моделирование сворачивания одного белка заняло бы 10,000 процессоро-дней, т.е. 30 процессоро-лет! Это слишком долго, чтобы ждать одного результата!
Решение: метод распределенной молекулярной динамики Чтобы решить проблему сворачивания белков, мы должны переступить микросекундный барьер. Наша группа разработала новый метод моделирования сворачивания белков, который для преодоления микросекундного барьера особым образом разделяет работу между процессорами, достигая почти линейного увеличения скорости от увеличения количества процессоров. Таким образом, с 1000 процессоров мы можем преодолеть микросекундный барьер и раскрыть тайну сворачивания белков.
Что мы уже сделали? И что еще собираемся сделать? Folding@Home 1.0 был успешным. В течение одного года, с октября 2000 по октябрь 2001 мы смоделировали несколько маленьких, быстро сворачивающихся белков, а также экспериментально подтвердили наш метод. Сейчас мы работаем над дальнейшим совершенствованием нашего метода и его применением к изучению более сложных и интересных белков, а также вопросов сворачивания и неправильного сворачивания. Вы можете узнать больше о наших результатах на нашей Странице результатов.
Как я могу узнать больше о работе FOLDING@HOME?
Хорошо начать изучение с ознакомления с некоторыми нашими успехами в Folding@Home 1.0. О работе Folding@Home можно прочитать в некоторых из наших свежих статей или отчетов для прессы. В нашей недавней статье в Physical Review Letters описывается основа нашего метода, а также некоторые математические подтверждения того, что мы можем использовать от десятков до сотен тысяч компьютеров для соответствующего ускорения моделирования. Наша недавняя статья в The Journal of Molecular Biology более подробно освещает специфику нашего метода применительно к белкам, а также нашим первым результатам - сворачиванию β-шпильки. |
Хотя пространственная структура
белка и зависит от его
последовательности, но механизмы
реализации этой зависимости очень
сложны. И поэтому процесс
сворачивания белков может
рассматриваться как связующее звено
между геномом (последовательностью)
и реальной деятельностью белков.
|
|
|
|
Дополнительные материалы: интересные ссылки на другие сайты Чтобы узнать больше о ДНК, геномах, белках или сворачивании белков мы предлагаем следующие ссылки (рекомендованные ссылки выделены жирным): |
|
Моделирование сворачивания белков:
|
ДНК: |
|
Биология сворачивания белков: |
Проект Геном: |
|
Нанотехнология:
|
Биотехнология: |
|
Физическая химия: |
Биохимия: |
|
Что говорит пресса о FOLDING@HOME: |
Статьи в прессе об исследованиях группы PANDE : |